Углеродные нанотрубки (УНТ) — цилиндрические наноструктуры из атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, — оказались перспективными для изготовления различных электронных устройств. Фактически, эти структуры демонстрируют выдающуюся электропроводность и механическую прочность, которые очень благоприятны для разработки транзисторов (т.е. устройств, которые контролируют протекание тока в электронике).
В последние годы несколько инженеров-электронщиков начали использовать УНТ для разработки различной электроники, в том числе полевых транзисторов (МОП-транзисторов) на основе оксидов и полупроводников. МОП-транзисторы — это транзисторы, которые управляют протеканием тока через полупроводниковый канал с помощью электрического поля, приложенного к затворному электроду.
Примечательно, что когда массивы УНТ используются для разработки МОП-транзисторов, они могут работать на радиочастотах (РЧ), диапазоне электромагнитных волн, поддерживающих беспроводную связь. Таким образом, полученные МОП-транзисторы могут быть особенно полезны для развития систем и технологий беспроводной связи.
Исследователи из Пекинского университетов, Сянтаньского университета и Чжэцзянского университета недавно разработали новые МОП-транзисторы на основе УНТ, которые могут эффективно работать на терагерцовых частотах, что, по сути, означает, что они могут переключать или усиливать сигналы, изменяющиеся более триллиона раз в секунду. Новые транзисторы, представленные в статье, опубликованной в Nature Electronics, могут открыть новые возможности для развития сверхбыстрых беспроводных систем связи, а также высокоскоростных радаров и вычислительных систем.
«Пленки выровненных полупроводниковых углеродных нанотрубок могут быть использованы для создания комплементарных металл-оксид-полупроводниковых полевых транзисторов для цифровых интегральных схем и радиочастотных транзисторов для терагерцовых аналоговых интегральных схем», — пишут Цзяньшо Чжоу, Зипэн Пан и их коллеги в своей статье.
«Однако рабочие частоты таких устройств остаются слишком низкими для потенциального применения в шестом поколении беспроводной связи. Мы сообщаем о полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник, которые основаны на выровненных пленках углеродных нанотрубок и имеют частоту среза более 1 ТГц».
Обычные транзисторы на основе кремния, используемые в существующей электронике, могут надежно обрабатывать сигналы с частотами до 100–300 ГГц. Это означает, что они могут переключать или усиливать сигналы до нескольких сотен миллиардов раз в секунду.
В отличие от них, новые МОП-транзисторы на основе УНТ, разработанные Чжоу, Панем и их коллегами, могут обрабатывать сигналы выше 1 ТГц (т.е. 1000 ГГц). Это делает их пригодными для развития беспроводных технологий шестого поколения (6G) и систем высокоскоростной связи.
«Оптимизируя конструкции ворот и производственные процессы, мы создаем устройства с длиной ворот 80 нм, которые имеют мобильность носителя более 3000 см2 V−1 s−1, а также ток во включенном состоянии 3,02 мА μм−1, пиковая проводимость 1,71 мС мкм−1 при смещении −1 В и скорости насыщения 3,5 × 107 СМ с−1», — написали авторы.
«Внедряя Y-образный затвор, мы также создаем устройства с длиной затвора 35 нм, которые имеют внешнюю частоту среза (fT) до 551 ГГц и максимальной частотой колебаний (fМакс) 1,024 ГГц. Наконец, мы используем устройства с длиной затвора 50 нм для изготовления радиочастотных усилителей диапазона миллиметровых волн (30 ГГц) с коэффициентом усиления до 21,4 дБ».
Чтобы продемонстрировать потенциал своих недавно разработанных МОП-транзисторов, исследователи использовали их для создания радиочастотных усилителей, электронных схем, увеличивающих силу сигналов. Было обнаружено, что эти усилители, работающие в миллиметровом диапазоне волн, работают удивительно хорошо, надежно увеличивая силу высокочастотных сигналов (30 ГГц) более чем в сто раз.
В целом, недавняя работа Чжоу, Пана и их коллег подчеркивает потенциал массивов УНТ для разработки транзисторов, которые могли бы поддерживать более быструю связь. В будущем разработанные ими МОП-транзисторы могут быть усовершенствованы и использованы для разработки сверхскоростных беспроводных передатчиков и приемников, а также мощных терагерцовых сенсорных технологий и высокоскоростных электронных схем.